一種可定位定姿的近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種可定位定姿的近景攝影測(cè)量系統(tǒng)，屬于測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)領(lǐng) 域，具體的涉及攝影測(cè)量技術(shù)。該系統(tǒng)利用裝在相機(jī)上的棱鏡和架設(shè)在通視范圍內(nèi)的全站 儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位，利用裝在相機(jī)底部云臺(tái)下方的水平度盤和相機(jī)左/右側(cè)的垂 直度盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定姿。通過(guò)建立棱鏡、水平度盤、垂直度盤和相機(jī)的關(guān)系模型，將定 位定姿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到相機(jī)中心，從而在利用攝影測(cè)量技術(shù)拍攝影像的同時(shí)，獲取相機(jī)的位置 和姿態(tài)等信息。
【背景技術(shù)】
[0002] 攝影測(cè)量是研究利用攝影或遙感的手段獲取被測(cè)物體的信息（影像），經(jīng)過(guò)分析、 處理，確定被測(cè)物體的形狀、大小和位置，并判斷其性質(zhì)的學(xué)科。攝影測(cè)量的特點(diǎn)是不接觸 被測(cè)對(duì)象，間接地采集被測(cè)對(duì)象的幾何信息和物理信息，不受區(qū)域限制，量測(cè)工作和信息獲 取分別進(jìn)行；量測(cè)工作大部分在室內(nèi)進(jìn)行；機(jī)械化和自動(dòng)化程度高。
[0003] 作為攝影測(cè)量學(xué)的一門分支一一近景攝影測(cè)量在建筑物的變形觀測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、 文物保護(hù)等工作中起著重要的作用。與三維激光掃描、傳統(tǒng)手工測(cè)量等測(cè)繪手段相比，近景 攝影測(cè)量設(shè)備成本低廉、外業(yè)采集時(shí)間短、數(shù)據(jù)量小，這些優(yōu)點(diǎn)使得近景攝影測(cè)量技術(shù)在文 物測(cè)繪、考古、隧道、橋梁、機(jī)械、海洋等領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，將數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù) 與RS (遙感）、GPS、GIS進(jìn)行集成，在城市規(guī)劃、文物保護(hù)、地下工程等實(shí)踐中取得了良好的 效果。
[0004] 攝影測(cè)量逐步發(fā)展到了全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段。目前，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的應(yīng)用已經(jīng)很 廣泛，能以某種精度測(cè)定物體的形狀、大小和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和微處理機(jī) 的廣泛應(yīng)用，近景攝影測(cè)量技術(shù)正朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展。
[0005] 攝影測(cè)量的一大特點(diǎn)就是測(cè)繪外業(yè)周期短，作業(yè)速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度大為降低。然而 相比外業(yè)，攝影測(cè)量的內(nèi)業(yè)工作量較大，除了需要對(duì)大量影像提取特征點(diǎn)并匹配外，還需要 解算影像的外方位元素和待求點(diǎn)地面坐標(biāo)。
[0006] 并且隨著普通數(shù)碼相機(jī)在近景攝影測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，如今的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與傳 統(tǒng)的單基線立體、測(cè)標(biāo)的近景攝影測(cè)量相比已有了很大的差別。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量多是模擬 "人的雙目"，依靠一條基線、兩張影像所構(gòu)成的立體像對(duì)，即"單基線立體"。這種基于作業(yè) 員的目視立體觀測(cè)的模擬、解析攝影測(cè)量必須根據(jù)精度要求，考慮被攝對(duì)象的遠(yuǎn)景、近景， 來(lái)設(shè)計(jì)攝影基線、交向角，比較復(fù)雜。且若以一個(gè)立體像對(duì)為單位，則難以像航空攝影測(cè)量 一樣，按一個(gè)攝影區(qū)域進(jìn)行處理。特別是對(duì)房屋這種體形體比較龐大、特殊的目標(biāo)時(shí)，很難 進(jìn)行拍攝及后續(xù)數(shù)據(jù)處理。并且對(duì)單基線立體的處理一般均按非量測(cè)相機(jī)的直接線性變換 進(jìn)行，每個(gè)像對(duì)至少需要6個(gè)控制點(diǎn)，因此增加了外業(yè)的工作量。若希望利用現(xiàn)有的非量測(cè) 數(shù)碼相機(jī)，減少外業(yè)控制點(diǎn)，進(jìn)行自檢校區(qū)域網(wǎng)平差，提高精度和匹配的可靠性，則需要對(duì) 傳統(tǒng)算法進(jìn)行改進(jìn)，在近景攝影測(cè)量中采用短基線、大角度、多目視覺，即大傾角多基線近 景攝影測(cè)量方法。
[0007] 為快速、準(zhǔn)確解算大傾角多基線攝影測(cè)量，需要提供外方位線元素和角元素的初 值，即通過(guò)定位定姿系統(tǒng)提供相機(jī)中心的位置和姿態(tài)信息。利用大傾角多基線攝影測(cè)量的 數(shù)學(xué)模型，每個(gè)攝站對(duì)被攝物拍若干張一定重疊度的像片，可構(gòu)成多基線多影像組序列，提 高影像匹配的效率和可靠性，生成高精度的建筑三維模型。
[0008] 現(xiàn)今對(duì)于可定位定姿的攝影測(cè)量系統(tǒng)主要集中在航空攝影測(cè)量、地面移動(dòng)攝影測(cè) 量系統(tǒng)（MMS)中。無(wú)論是航測(cè)還是MMS中的定位定姿系統(tǒng)，都是頂U(kuò)/DGPS組合的高精度位 置與姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（position and orientation system, POS)。POS系統(tǒng)利用裝在飛機(jī)上 的GPS接收機(jī)和設(shè)在地面上的一個(gè)或多個(gè)基站上的GPS接收機(jī)同步而連續(xù)地觀測(cè)GPS衛(wèi)星 信號(hào)，精密定位主要采用差分GPS定位（DGPS)技術(shù)，而姿態(tài)測(cè)量主要是利用慣性測(cè)量裝置 IMU來(lái)感測(cè)飛機(jī)或其他載體的加速度，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，獲取載體的速度和姿態(tài)等信息。因此， POS的產(chǎn)品組成包括導(dǎo)航處理計(jì)算機(jī)（PCS)、慣性測(cè)量單元（頂1])、里程計(jì)（DMI)、導(dǎo)航信息 綜合顯示軟件和導(dǎo)航數(shù)據(jù)緊密集成軟件等。
[0009] 同樣將相機(jī)和定位定姿系統(tǒng)結(jié)合考慮的是徠卡公司生產(chǎn)的TS15圖像全站儀。 TS15全站儀在傳統(tǒng)全站儀上假設(shè)了一臺(tái)500萬(wàn)像素的相機(jī)，利用相機(jī)結(jié)合自動(dòng)化照準(zhǔn)，超 級(jí)搜索等功能，使得圖像測(cè)量解脫了肉眼瞄準(zhǔn)測(cè)量的繁瑣。同時(shí)通過(guò)使用全站儀的內(nèi)置相 機(jī)獲取目標(biāo)物體立體像對(duì)，完成攝影測(cè)量。即在使用內(nèi)置相機(jī)獲取目標(biāo)物體立體像對(duì)，根據(jù) 相機(jī)主光軸和全站儀視準(zhǔn)軸之間的關(guān)系，以及全站儀在每次拍攝測(cè)量時(shí)的攝站信息和姿態(tài) 信息，可以獲取每張像片的6個(gè)外方位元素，從而在無(wú)地面控制點(diǎn)的情況下進(jìn)行攝影測(cè)量。 [0010]目前可定位定姿的攝影測(cè)量系統(tǒng)主要是將各種先進(jìn)且昂貴的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行集成， 構(gòu)成復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理難度大，精度提高較困難。
[0011] POS系統(tǒng)利用GPS進(jìn)行定位，然而GPS數(shù)據(jù)輸出頻率低，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下可靠性較 差，且會(huì)產(chǎn)生"周跳"現(xiàn)象；利用MU進(jìn)行定姿，但頂U(kuò)的姿態(tài)參數(shù)誤差會(huì)隨著時(shí)間的增加 而迅速積累。二者的組合雖可以一定程度上取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高準(zhǔn)確度，但若用于近景攝影測(cè) 量中，精度仍然難以滿足要求。例如，普通民用的NV-LINS800 GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精 度指標(biāo)為：位置2m，速度0. 03m/s，側(cè)滾和俯仰0. 05°，偏航0. Γ，時(shí)間20ns ;LD2000系統(tǒng) 攝影立體影像測(cè)量誤差與距離相關(guān)，隨著距離的增加，誤差逐漸增大，如攝影距離20m時(shí)， 立體影像測(cè)量誤差為〇. 〇63m，攝影距離40m時(shí)，立體影像測(cè)量誤差則達(dá)到了 0. 252m ;而目 前精度較高的P0S/AV 510,經(jīng)過(guò)嚴(yán)密數(shù)據(jù)處理后，位置精度最高為0. 05m，方向角度精度為 20" -30"。可見，利用可定位定姿的POS系統(tǒng)輔助攝影測(cè)量，在無(wú)需地面控制點(diǎn)的情況下， 可以達(dá)到部分比例尺地圖測(cè)圖的精度要求，但若是用于房屋、建筑等精度要求較高的地面 近景攝影測(cè)量，則還需改進(jìn)。
[0012] 并且，GPS/1MU組合的計(jì)算模型復(fù)雜。GPS/1MU的數(shù)據(jù)處理主要有三種模式：松耦 合、緊耦合和超緊耦合，這也代表了不同的精度和水平。松耦合是最簡(jiǎn)單的組合模式。在此 模式下GPS和頂U(kuò)接收機(jī)各自獨(dú)立工作，分別輸出位置與速度信息，再由組合Kalman濾波 器（以測(cè)量誤差為狀態(tài)）進(jìn)行優(yōu)化處理，給出最優(yōu)的結(jié)果，并反饋給頂U(kuò)進(jìn)行修正，這種等 級(jí)的組合是基于位置與速度的組合，至少要存在4顆衛(wèi)星才能得到GPS的導(dǎo)航信息，從而對(duì) 濾波器進(jìn)行更新。此外如果GPS接收機(jī)采用自己的Kalman濾波器求解其位置和速度，這種 組合導(dǎo)致濾波器的串聯(lián)，使組合導(dǎo)航觀測(cè)噪聲時(shí)間相關(guān)，不滿足Kalman濾波器觀測(cè)噪聲為 白噪聲的基本要求，嚴(yán)重時(shí)可能使濾波器不穩(wěn)定。緊耦合改進(jìn)了松耦合的算法，但對(duì)軟硬件 要求較高，實(shí)現(xiàn)難度較大。超緊耦合方式相對(duì)于松耦合和緊耦合是更復(fù)雜的組合方式，甚至 涉及到內(nèi)部碼環(huán)載波環(huán)電路的重新編排，在結(jié)構(gòu)或算法方面與松、緊耦合相比都更加復(fù)雜。
[0013] 而Leica公司生產(chǎn)的TS15圖像全站儀，是由全站儀提供角度和站點(diǎn)位置信息，通 過(guò)視準(zhǔn)軸和主光軸的關(guān)系，推算出每張像片的外方位元素，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的地面坐標(biāo)進(jìn)行 解算。TS15全站儀相機(jī)主要參數(shù)為：500萬(wàn)像素，焦距21_。因此TS15的局限在于，裝置 不夠不靈活、鏡頭分辨率低、精度不高。
[0014] 同樣重要的是，無(wú)論是GPS/1MU組成的定位定姿系統(tǒng)，還是全站儀和相機(jī)的組合， 儀器裝置的價(jià)格均較為昂貴，數(shù)據(jù)處理模型也較為復(fù)雜，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)不小的工 作量。
[0015] 而傳統(tǒng)近景攝影測(cè)量的單基線立體方法是基于作業(yè)員目視立體觀測(cè)的模擬、解析 攝影測(cè)量必須根據(jù)精度要求，考慮被攝對(duì)象的遠(yuǎn)景、近景，設(shè)計(jì)攝影基線、交向角，比較復(fù) 雜。且若以一個(gè)立體像對(duì)為單位，則難以像航空攝影測(cè)量一樣，按一個(gè)攝影區(qū)域進(jìn)行處理。 因此當(dāng)被測(cè)物體形體比較特殊時(shí)（例如較大型的房屋或高塔等建筑物），則很難進(jìn)行拍攝 及后續(xù)數(shù)據(jù)處理。并且對(duì)單基線立體的處理，一般均按非量測(cè)相機(jī)的直接線性變換進(jìn)行，每 個(gè)像對(duì)至少需要6個(gè)控制點(diǎn)，因此增加了外業(yè)的工作量。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0016] 本實(shí)用新型旨在解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提高近景攝影測(cè)量效率和精 度，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理模型，節(jié)約成本。
[0017] 傳統(tǒng)近景攝影測(cè)量對(duì)拍攝要求較高，需要垂直目標(biāo)拍攝，否則在未知外方位元素 初值的情況下，法方程的解算無(wú)法收斂于正確結(jié)果；且在數(shù)據(jù)處理中需要一定數(shù)量的控制 點(diǎn)。為提高近景攝影測(cè)量的效率，進(jìn)一步減小外業(yè)工作量，提高精度，需要對(duì)儀器設(shè)備及解 算方法進(jìn)行改進(jìn)。然而，令人遺憾的是目前在這方面仍是一項(xiàng)巨大的市場(chǎng)空白。本實(shí)用新 型將采用